고객이 직면한 과제
북해 해안선을 따라 노섬벌랜드 블라이스에 위치한 국립 재생 에너지 센터(Narec)는 해상 조력 및 풍력 터빈의 연구 및 개발에서 탁월한 역량을 가진 센터입니다. 현재 몇몇 대규모 글로벌 조직이 지배하는 시장에서 Narec은 신규 진입자가 설계를 보다 쉽게 평가하고 검증할 수 있도록 지원하여 업계 전반에 걸친 경쟁과 혁신을 촉진하는 데 핵심적인 역할을 합니다.
Narec의 운영 이사 Tony Quinn에 따르면 신규 진입자에게 있어 큰 장애물은 새로운 터빈 설계 테스트와 관련된 시간과 비용입니다. Quinn은 "예전에는 개발자가 새로운 터빈을 테스트하기 위해 터빈을 바다에 직접 배치하는 것 외에는 달리 방법이 없었습니다."라고 합니다. "물론 그러한 장비는 대개 바다 위에서 사용하기에 적합하지 않으며 쉽게 손상됩니다. 문제가 발생하면 해저에서 장비를 끄집어내어 해안으로 가져와서 수리한 후 다시 바다로 가지고 나가야 합니다. 이는 매우 비용이 많이 드는 프로세스이며 시장 진입에 심각한 장벽이 됩니다."
비용과 시간이 많이 소요되는 것 외에도 이 방법은 반복할 수 없으며 사용 가능한 데이터가 제한되는 경우가 많습니다. 12개월의 해상 시험에서도 터빈의 신뢰성과 내구성에 대한 엄격한 평가에 필요한 모든 조건을 제공하리라는 보장은 없습니다. Quinn은 "이 과정은 장치가 설치된 달의 바람이나 조석 조건에 따라 결과가 매우 달라집니다."라고 합니다. "해안에서 몇 마일 떨어진 바다 또는 해저에서 원하는 조석이나 바람이 일어나기를 기다려야 합니다. 이런 방식으로는 설계를 빠르고 확실하게 검증하기 어렵습니다."
MTS 솔루션
Narec은 조력 및 풍력 터빈 개발자가 해양 테스트의 비용과 불확실성을 극복할 수 있도록 터빈용 구동 계통을 각각 최대 3MW 및 15MW까지 테스트할 수 있는 2개의 시설을 포함하는 복잡한 실험실을 개발했습니다. 개발자는 MTS의 혁신적인 비 토크 부하(NTL) 시스템이 장착된 시설을 통해 실물 크기의 조력 및 풍력 터빈 구동 계통에 복잡한 실제 부하를 적용하고, 제어하고, 반복하는 실험실 설정에서 다양한 해양 조건을 정확하게 재현할 수 있습니다.
Quinn은 "MTS의 NTL 시스템을 사용하면 100년에 한 번 발생하는 조수 상황이나 바람 상황을 마음대로 재현할 수 있습니다."라고 합니다. "저희는 세 개의 직각 축에서 바람 또는 조력을 재현할 수 있으며 모든 축을 따라 힘을 가하거나 모든 축을 중심으로 굽힘 모멘트를 3차원으로 동시에 적용할 수 있습니다. 시간 히스토리를 사용하면 터빈 설계에 실제 시간으로 10년에 해당하는 이벤트를 6개월 만에 적용할 수 있습니다."
NTL 시스템은 최첨단 MTS 유압 장치 및 제어 장치를 사용하여 매우 큰 축외(또는 비 토크) 힘과 모멘트를 높은 수준의 제어와 정밀도로 회전하는 터빈 드라이브 트레인에 적용합니다. Narec의 3MW 시설에 있는 NTL 시스템은 특히 조력 터빈 구동 계통에 적합하며 15MW 시설에서 건설 중인 시스템은 대형 해상 풍력 터빈 구동 계통 테스트에 이상적입니다.
Quinn에 따르면 터빈 구동 계통을 효과적으로 테스트하는 데 필요한 축외 힘은 엄청납니다. "7MW 풍력 터빈의 직경은 약 160m이고 블레이드 길이는 80m입니다. 그런 블레이드가 바람을 맞고 움직이는 것을 상상해보세요. 구동 계통에 엄청난 전도 모멘트가 가해질 겁니다. 해양 터빈의 경우 효과는 비슷하지만 수중에 있기 때문에 상대적으로 받는 힘이 훨씬 더 큽니다." Narec의 15MW 시설에서 작동할 NTL 시스템은 이러한 요구를 충족하기 위해 56MNm의 전복 모멘트를 버틸 수 있으며 3MW 시설의 시스템은 최대 15MNm의 힘을 버틸 수 있습니다.
이러한 강력한 장비를 수용하기 위해 두 구동 계통 시설 모두 특별하게 설계된 대규모 기반 시설을 갖추고 있습니다. 예를 들어 15MW 시설은 1,000톤의 구조용 강철과 100개의 기둥으로 구성된 20m 깊이의 바닥 위에 자리 잡고 있습니다. Quinn은 "MTS 장비가 버텨야 하는 엄청난 힘 때문에 저희는 기둥을 깊이 묻어야 했습니다."라고 합니다.
고객 혜택
Narec의 고객은 제어된 환경에서 실제 조석 및 바람을 재현할 수 있는 기능을 통해 새로운 터빈 설계의 신뢰성과 내구성에 대한 중요한 통찰력을 보다 효율적으로 확보하여 개발 및 검증 프로세스를 크게 가속할 수 있습니다. 이것은 풍력 및 조력 에너지의 전체 단위 비용뿐만 아니라 해상 재생 에너지 산업 전체의 경쟁력에 파급 효과를 줍니다.
Quinn은 "궁극적으로 저희가 추구하는 것은 해양 에너지 비용을 낮추고 천연가스나 석탄과의 경쟁력을 높이는 것입니다."라고 합니다. "개발자가 제품에 대해 더 빨리 배울수록 더 빨리 신뢰성과 비용 개선을 추진할 수 있고 더 낮은 에너지 비용을 제공할 수 있습니다. 신뢰성이 높을수록 투자자들에게 더 큰 신뢰를 줄 수 있는데 이는 매우 중요하고 경쟁이 치열해지면 더 건강한 시장으로 이어집니다."
Quinn은 Narec의 구동 계통 테스트 기능을 구축한 데 대해 Narec과 MTS 엔지니어 사이의 긴밀한 협력 관계를 강조합니다. Quinn은 "전체 디자인은 저희와 MTS 사이의 환상적인 노력입니다."라고 합니다. "저희는 솔직히 세계에서 누구도 아직 해결하지 못한 몇 가지 엔지니어링 문제에 도전하고 있습니다. 진정으로 세계 최고의 엔지니어링이 필요합니다."
